1、1半导体及基本半导体物理Semiconductor and its physical principles(Correspondence with the text book: Section 2.5、2.6、2.7)2(壹) 原子之一般模型与电子能阶一个原子乃是由一个原子核加上一个或一个以上的电子所组成。原子存在的型式是以原子核为中心，而电子在外围以高速环绕。电子以高速环绕原子核必具有相当的能量(动能加位能)。-根据物理理论，若原子核外围的电子不只一个，则电子的能量最多只会两两相同，绝不会有三个或以上的电子有相同的能量。 -【 包立不兼容原理 】电子绕行的轨道跟该电子的能量有关。-一般而言，
2、电子绕原子核而行的轨道并不一定成圆形。另外，能量越大的电子，其绕行轨道跟原子核的距离也越大；换言之，其轨道的分布将越在外围。因此，我们通常称能量较大的电子为外围电子，而称能量较小的电子为内层电子。电子以高速环绕原子核所须之向心力，由电子跟原子核内的质子之间的静电力来提供。这个静电力将使得电子在正常情况下，无法脱离原子核而自由行动。- 这些在原子核外围环绕的电子如同被束缚在原子里，因此被称为 束缚电子 ，以有别于其它可在原子外面 (或说原子与原子之间 )自由移动之 自由电子 。- 可以想象自由电子是轨道在无穷远的电子，因此其能量将大于束缚电子的能量。- 可以说，束缚电子之所以被束缚而无法成为自由
3、电子，是因为其能量不足；通常，吾人称这个不足之能量的大小为该束缚电子所受到的 束缚能 。- 越外围的束缚电子其所受到的束缚能也越小，代表其越容易被激发而脱离原子核。每一个绕行轨道所对应的电子能量必为某些特定值，这些特定值使得束缚电子之能量成阶段式的不连续分布，这些电子能量的阶段式分布即称为电子能阶。-根据包立不兼容原理，每个能阶 (或说每个绕行轨道 )最多只会有两个电子。-电子必会优先进驻低能量之轨道。因此，多电子的原子的内层轨道会先被填满。3基 本 原 子 模 型E123E0能量軌道電 子 能 階束縛電子自由電子束縛能 自 由電 子束 縛電 子原子核電 子軌 道外 加電 場FeeFenn最
4、內 層:4(贰)导体、非导体与半导体之区别及其物理解释一般物质大体为非导体对一般物质而言，其原子里头最外层电子的束缚能大约在几百分之一到几分之一个 (电ev子伏特 焦耳)之谱。要这些物质在外加电场之下导电，则其最外层电子必须从1609.外加电场获得至少等于其束缚能的能量。电子从外加电场取得之能量 E 等于外加电场值 乘以电子移动的距离 S。Fe- 以气体为例，每 mole 气体 ( 个分子 )的体积为 22.4 公升，每个气体分2310.6子的体积不到 ，每个气体原子的体积更小，大约不到 。32614m 10327m- 在这个体积里，一个束缚电子所能移动的距离不到 ，也就是 。1099- 因此
5、，要使得 ，必须 。1918.5.SFEe e/volt-上式所除的 是一库伦的电荷量，因为我们所计算的是单一个电子的能量。0以一个数公分的物质而言，使其导电所须的电压将大于十万伏特，根本不切实际。- 要使物质在合理电压之下导电，必须有不同的原子结构，譬如在结晶体里。结晶体之原子结构结晶体内部，大量的原子挤在一个小空间里，原子与原子之间的距离极小。结果是，每个原子的外层电子跟它本身原子核的距离变得跟邻近原子核的距离差不多，这使得外层电子同时受到多数个原子核的吸引，而成为多个原子的共有电子。结晶体内部的束缚电子因此分成两类：1. 内层电子 - 轨道距离个别原子核近，受本身原子核的吸引而绕行，束缚
6、能大。2. 外层电子 - 为结晶体全体原子所共有，不属特定原子核，又称为共享电子。5所有这些外层共享电子将视为共同绕行一个共体原子核。- 这些 共享 电子的能量值将受到包立不兼容原理之限制。换言之，若这些电子有 个，N则它们将分别具有 种不同的能量。N/2相反地，每个原子的内层电子轨道都是独立，其能阶也都分开布建，因此可能出现超过两个内层束缚电子有相同能量。譬如说，总共有 个原子，则同属m第 个内层的所有( 到 个)束缚电子可能都具有相同的能量。nm这些不同的能量将分布在一个有限范围里( 跟 之间，右图)。EOI-一般而言， 大约是几分之一个 到几个 。EOIev对一块寻常的晶体而言，其所含的
7、共享电子至少在 个以上。102-换言之，在 跟 之间将被划分为至少 以上的不同能阶，这I些能阶之间的能量差因此将约略在 之谱。-如此小的能量差，使得这些共享电子只要在极小的外加电场之下，就可获得足够的能量来变换轨道 (指在共享轨层内变换 )。-共享电子在共享轨层内藉转换轨道而移动，即形成电流。这些让共享电子在外加电场之下得以自由变换轨道的共享轨层，因此称为晶体的传导轨层。又因为这些轨层的能阶分布成带状，有时也称它们为传导带。-相对地，晶体的内层轨道则称为价电带，而其内层电子则称为价电子。另一方面，只在共享轨层存有空的轨道之际，共享电子方有变换轨道的余地。-若晶体的共享轨层存有适量的空轨道跟共享
8、电子，则此晶体为良导体。-但若共享轨层内的共享电子不多，或是空轨道很少，则导电不佳，是为半导体。-若所有电子皆为价电子，或共享轨层全满，则此晶体不导电，是为非导体。晶 體 電 子 能 階EOI1230內軌層外軌層自 由電 子傳導帶價電帶 d16(参)硅晶体与半导体电流 (Section 9.2)基本上，硅晶体(Si)为半导体。- 严格来讲，硅晶体的所有电子皆为价电子。- 但由于 很小，在常温下，硅晶体里的少量价电子dE2可进入传导带，并在价电带中形成电洞(如右图)。- 若有外加电场，传导带中的电子与价电带中之电洞，将反向移动而行成净电流(如下图)，但数量极微。因此，在半导体里的电流有两种：-
9、电子流：晶体里自由电子的流动。- 电子流动的方向与外加电场的方向相反，因此其电流值与电场同方向。- 电洞流：晶体价电带里电洞的流动。- 电洞流动的方向与外加电场的方向相同，其电流值当然也与电场同方向。- 所谓电洞的移动并非电洞真的移动，乃是电子藉由电洞的空格，跳跃移动所形成之现象。不管是电子流或电洞流，其净电流都与电场同方向。aT qlqql qadE2aqlqqlqE qlq Eqa空 軌 道 (電 洞 )填 滿 軌 道7(肆)加料半导体之理论 (Section 9.2, continue)所谓半导体的加料，系指在半导材料里加入杂质以增加材料之传导性。一般而言，加料的半导体概由硅结晶为本体所
10、构成。大体而言，所加入的杂质有两种：(A)加入硼：加入硼材料后，复合结晶体产生一可以接受电子的受体能阶，这些能阶极为接近结晶体的价电带，使得大量的价电子进入受体能阶中，而在结晶体的价电带中留下大量的电洞。(右上图)- 这些电洞可在外加电场之下移动，形成电流。- 这种半导体的电流乃是基于电洞的流动所造成，而电洞带正电荷，因此这种半导体称为= P 型半导体(B)加入磷：加入磷材料后，磷原子的某些价电带被提升到与复合结晶体的传导带极为阶近，这些高能阶的磷价电子(称为供给体电子)，得以大量地进入结晶体的传导带中而能自由移动。(右下图)- 这些进入传导带的磷电子可在外加电场之下自由移动，形成有意义的电流。- 这种半导体的电流乃是由电子的流动所造成，而电子带负电荷，因此这种半导体称为 = N 型半导体Tql qaaNaTql qaaCa
